Physique des gaz
Intérêts
- La physiologie de la respiration impose la compréhension de la
physique des gaz.
- Elle est également importante dans la plongée sous-marine.
• ventalité assistée.
• gaz solubles.
• gaz saturé d’eau à température constante.
Conversion degré / kelvin
0°C = 273 K
37° = 310 K
Masse molaire : masse de N molécules
N = nombre d’Avogadro = 6,02.1023 molécules.moles-1.
Conversion
1 Pa = 1 N.m-2.
1 Bar = 10^5 Pa.
1 atm = 1,013 10^5 Pa
10^5 Pa = 760 mmHg
mm hg (Torr)
Exemples
-
Calculer la valeur correspondante à une colonne de 1 mmHg
g = 9,81 m.s-2.
ρ Hg = 13,6 Kg/L. (Force en newton exercée par une colonne sur
1m².)
F = Poids = mg.
F = 1 x 10-3 m3 x 13,6.10^3 x 9,81.
Volume
ρ
F ≈ 133 N
= 133 N.m-2
= 133 Pa
- Pression de la force exercée par 1cm d’eau
F = 98 Pa.
- Combien 1 atm a de mmHg correspondant
1atm = 1,013.10^5
133
1atm = 760 mmHg
Cas de gaz parfaits
PV = nRT
---> N’existe pas.
Mais on considère que tous les gaz le sont.
P = pression du gaz. (Pa)
V = volume du gaz. (m3)
n = nombre de moles.
R = constante des gaz parfaits = 8,314 J.mol-1.K-1.
T = température en K.
Notion de pression partielle des gaz.
|
n1 molécules de gaz 1 |
ù ú ensemble dans un volume V. à température T. û |
|
n2 molécules de gaz 2 |
|
|
ni molécules de gaz i |
application de l’équation des gaz parfaits
|
® |
P1V = n1RT |
|
|
P2V = n2RT |
|
|
P3V = n3RT |
|
|
- - - - - - - - - |
|
|
PiV = niRT |
|
|
(åPi)V = (åni)RT |
Pi
représente la pression partielle d’un gaz égale à la pression
sous laquelle il se trouverait s’il était la seul dans le même
volume et à la même température
Composition de l’air
---> constante à l’altitude
azote = 78%
O2 = 21%
Argon = 0,9%
CO2 = 0,04 %
---> la pression est différente avec l’altitude
Exemple
Calculer la pression partielle en mmHg pour une pression de 0,6
atmosphère d’air, de l’O2.
0,6 x 760 mm Hg = 456 mm Hg
proportionnalité Pi.
456 x 0,21 = 96 mm Hg
Variation de la pression en fonction
de l’altitude
0 m = 760 mm Hg
1000 m = 674 mm Hg
2000 m = 595 mm Hg
4000 m = 462 mm Hg
6000 m = 354 mm Hg
8000 m = 267 mm Hg
Pi O2/3 : Pγ/3
Humidité de l’air
L’eau est toujours présente dans l’air, à chaque température
correspond une quantité d’eau maximum ; plus la température est
élevée, plus la quantité d’eau est élevée dans l’air.
: rapport entre la densité de la vapeur
d’eau (dans l’air) et la densité maximum que peut contenir
l’air.
Exemples de densités maximums
|
0°C |
= |
4,85 g.m-3. |
|
20°C |
= |
17,3 g.m-3. |
|
37°C |
= |
44 g.m-3. |
|
100°C |
= |
588 g.m-3. |
Exemple
En utilisant la loi des gaz parfaits, calculer la pression saturante de vapeur d’eau à 0°C et 37°C.
nRT
P = -------
V
- à 0°C :
4,85
n = --------- = 0,27 mol.m-3. (quantité par mètre cube
d’eau de gaz.)
MH2O
P = 0,27 x 273 x 8 = 588 Pa
588 x 760
--------------- = 4,6 mm Hg.
10^5
- à 37°C :
44
P = ----- x 310 x 8 = 6251 Pa ≈ 47 mm Hg.
18
---> saturé (non négligeable)
- à 100°C :
588
P = ------ x 382 x 8 = 101080 Pa ≈ 760 mm Hg ≈ 1 atm.
18
=température d’ébullition de l’eau
Physiologie respiratoire
-gaz : humidité variable.
-gaz sec, O2 sec.
-gaz saturé d’eau.
-gaz saturé d’eau à température ambiante.
ATPS : (Ambiant Temperature Pression Sature).
BTPS : (Body Temperature Pression Sature).
En chimie : STPD = Standard Temperature Pression Dry : à 0°C,
760 mm Hg.
Exemple
Un patient dont la température corporelle est 37°C, expire 1L de mélange saturé d’eau. Quel en serait le volume dans les conditions standards ?
47 273
1L x (1- ----- ) x ----- ≈ 0,83 L
760
310
Solubilité des gaz
Les gaz respiratoires sont solubles dans l’eau. Elle dépend des
forces d’attractions électrostatiques avec les molécules d’eau.
---> Plus la solubilité est forte, plus le gaz
est polarisé.
La concentration de gaz dans un liquide est linéairement
proportionnelle à sa pression partielle.
--->
c’est la quantité de gaz solubilisé
--->
La concentration de gaz soluble augmente si la pression du gaz
augmente avec elle.
---> C = k P
C = concentration
P = pression
k = constante
- La concentration augmente quand la température diminue.
- Quand la température augmente, la solubilité diminue.
- Si la pression diminue, la concentration diminue également.
- Enfin, si la pression partielle diminue, la solubilité diminue
Unité de
solubilité
- mm STPD.ml-1.atm-1
|
|
20°C |
37°C |
|
CO2 |
0,872 |
0,58 |
|
CO |
0,023 |
0,018 |
|
O2 |
0,031 |
0,023 |
-
mm gaz. mm solvant-1.
--6> Même conditions de températures et de
pression que le solvant
|
- coefficient de partition.
|
CO2 = 0,5
O2 = 0,023
|
|
Sang Gaz |
Huile Gaz |
|
Ether : |
12 |
65 |
|
Halothane : |
2,4 |
220 |
|
N2O : |
0,47 |
1,4 |
plus le rapport est élevé, plus la diffusion est importante,
plus l’effet anesthésiant est important
|
Alcool éthylique : |
gaz |
= 2100 |
---> Test d’alcoolémie
Application
On mélange un échantillon de sang avec un mélange gazeux :
O2 : 14,5%, pression barométrique : 752 mm Hg, le tout à 37°C.
Combien d’O2 STPD seront dissous dans 100 ml de sang ?
Nouvelle pression : 752 – 47 = 705 mm Hg
Pi en O2 : 0,145 x 705 ≈ 102,2 mm Hg
Solubilité O2 : 0,023 mm STPD.ml-1.atm-1
102,2
-------- x 0,023 ---> pression en atmosphère
760
= 3,1.10-3 ml/ml
=0,31 ml/100ml
Diffusion des gaz
- à l’intérieur d’un autre gaz
Ex : le parfum se diffuse dans l’atmosphère. Ce phénomène
intervient dans la diffusion du gaz à l’intérieur des alvéoles
(c'est à dire où la cinétique est élevée).
- à l’intérieur d’un liquide
Le passage du gaz à travers la membrane alvéolo-capillaire.
Le débit gazeux , l’épaisseur ρ et la surface S dépend de
facteurs et s’exprime :
|
L = (Pa – Pb) x |
S
|
x d |
- d proportion de solubilité du gaz dans le liquide, qui
variable selon les tissus et de l’encombrement moléculaire.
- Plus la taille est grande, plus la diffusion est facile.
- Le coefficient de diffusion est inversement proportionnel à la
racine carré du poids moléculaire.
- Plus la solubilité sera grande, plus la diffusion sera
importante
REPRODUCTION COMPLETE OU PARTIELLE INTERDITE